Вопрос 6. Архитектура процессоров вычислительных систем. Конвейеризация вычислений

Вопрос 1. Вычислительная система, вычислительная машина. Определение понятия архитектура вычислительной машины или системы. Привести примеры

Вычислительная система – аппаратно-программный комплекс для решения задач пользователя, содержащая параллельные процессы.

Вычислительная машина – аппаратно-программный комплекс, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователя (простейший случай вычислительной системы).

Архитектура вычислительной машины – то, какой представляется машина программисту, разрабатываемая программу на машинно-ориентированном языке (ассемблер), в совокупности с её техническими характеристиками.

Архитектура вычислительной системы – включает в себя вопросы выделения составляющих ВС (иерархии ВС), распределение функций между ними и определение взаимодействия между составляющими.

Примеры: фон-неймановская архитектура, ПК.

Вопрос 2. Конфликты при конвейерной обработке и способы их минимизации. Конфликты по данным.

1) Структурный риск (обращение к одному устройству нескольких команд).

2) Конфликты по данным (при невыполнении предыдущей команды).

3) Риск по управлению (условный переход => неоднозначность выбора следующей команды).

Способы «исправления»: ожидание, маскирование другим конфликтом, обход.

Конфликт по данным – возникают в том случае, когда применение конвейерной обработки может изменить порядок обращений за операндами так, что этот порядок будет отличаться от порядка, который наблюдается при последовательном выполнении команд на неконвейерной машине.

Вопрос 3. Конвейерная организация. Что такое конвейерная обработка. Простейшая организация конвейера и оценка его производительности. Примеры.

При конвейерной обработке несколько процессов могут выполняться одновременно / параллельно. Организация: извлечение команды, декодирование команды, вычисление адреса операнда, извлечение операндов, выполнение команды, запись результата.

Производительность:

1) ускорение – отношение времени обработки без конвейера и с ним;

2) время обработки потока из N команд на конвейере с К позициями и тактом конвейера;

3) время обработки без конвейера;

4) эффективность – доля ускорения, приходящаяся на ту или иную позицию конвейера;

5) пропускная способность – эффективность, делённая на длительность такта конвейера.

Примеры:.

Вопрос 4. Фон-неймановская организация вычислительных машин и систем. Привести примеры.

Автономно работающая универсальная машина, объединяющая устройство управления, двоичное арифметическое устройство, память, устройство ввода / вывода.

Примеры: калькулятор, EDSAC, BINAC.

Вопрос 5. Классификация компьютеров по областям применения

1. ПК.

2. Бездисковая рабочая станция (нет диска, наличие связи (обрабатывает запрос) и клиента (генерирует запросы)).

3. Сервер – персональная вычислительная система, обрабатывающая запросы пользователя (характеризуется мощностью процессора, памятью, пропускной способностью).

4. Мейнфрейм – каналы связи между объединёнными компьютерами для обмена данными со скоростью обращения к ОЗУ.

5. Кластер – объединённые между собой компьютеры в единую машину с мощным процессором с принципом распараллеливания.

Вопрос 6. Архитектура процессоров вычислительных систем. Конвейеризация вычислений

1. Выборка команды (ВК). Чтение очередной команды из памяти и занесение ее в регистр команды.

2. Декодирование (ДК). Определение кода операции и способов адресации операндов.

3. Вычисление адресов операндов (ВА). Вычисление исполнительных адресов операндов в соответствии с указанным в команде способом их адресации.

4. Выборка операндов (ВО). Извлечение операндов из памяти. Эта операция не нужна для операндов, находящихся в регистрах.

5. Исполнение команды (ИК). Исполнение указанной операции.

6. Запись результата (ЗР). Занесение результата в память.

Пусть команды выполняются на конвейерной системе с шестью ступенями, соответствующими шести этапам цикла команды. Предполагается, что каждая команда обязательно проходит все шесть ступеней, все этапы имеют одинаковую длительность, равную одной единице времени, и могут выполняться одновременно. Тогда выполнение девяти команд заняло бы 9 * 6 = 54 единицы времени, А использование конвейера позволяет снизить это время до 14 единиц.